KR20000016643A - 분말 재료를 사전압축시키기 위한 가압 피이드슈 장치 및 방법 - Google Patents

분말 재료를 사전압축시키기 위한 가압 피이드슈 장치 및 방법 Download PDF

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글렌 엘. 비인
데이비드 에스. 래시모어
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글렌 엘.빈
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Abstract

본 발명의 가압 피이드 슈(10)는 다이 캐비티(26)에 충전될 미립자 재료를 운반하기 위해 제공된다. 피이드 슈(10)는 다량의 미립자 재료를 수용하기 위한 용기를 포함하는 피이드 슈 바디(11)를 포함한다. 피이드 슈 바디(11)은 다이 캐비티(26)와 일치시키기 위한 하나 이상의 저부 출구(37)과 미립자 재료를 수용하기 위한 상부 진입구(36)를 갖는다. 용기와 다이 캐비티내에 초대기압을 발생시키기 위한 압력 발생기가 또한 제공된다. 압력 발생기는 밀봉 결합된 도관(13)에 의해 용기와 연결된다. 저부 출구(37)이 다이 캐비티(26)와 일치하는 위치로, 그리고 이 위치로부터 셔틀이 피이드 슈 바디(11)를 선택적으로 이동시킨다.

Description

분말 재료를 사전압축시키기 위한 가압 피이드 슈 장치 및 방법
세라믹 및 카바이드와 같은 미립자 재료를 사용하는 분말 야금 및 이외 기술에 있어서, 제품 및 부품은 미분되거나 세분된 분말을 다이 캐비티내에서 목적하는 형상으로 프레싱하므로써 형성된다. 일반적으로, 분말은 실온에서 다이 캐비티에서 압축된 후, 반압축된 재료가 다이로부터 제거되고, 가열되어 분말이 균일하고 치밀한 재료로 결합된다. 분발 야금에서, 열결합 과정은 일반적으로 소결 또는 세라믹 및 카바이드의 경우에는 점화로서 공지되어 있다.
이들 과정 및 이와 유사한 과정이 사용되는 경우, 측정된 양의 분말 또는 미립자 재료를 분말 프레스상의 다이 캐비티에 공급하기 위한 수단이 요구된다. 일반적으로, 피이드 슈는 중력 충전 시스템을 사용하여 프레스 사이클 동안에 다이 캐비티에 분말 또는 미립자 재료를 공급하도록 작동한다. 상기 시스템은 미립자 재료를 함유하는 피이드 슈가 셔틀상에서 이동하는 것을 포함하며, 상기 셔틀은 피이드 슈를 다이 프레스의 테이블을 따라 전진하게 하여, 피이드 슈의 바닥 피이드홀이 노출되고, 충분히 성긴 상태의 분말을 공급하는 다이 캐비티와 겹쳐 일치시켜 다이 캐비티를 중력 충전시키는 위치로 활주시킨다. 이후, 셔틀은 상기슈를 다이 프레스 테이블을 따라 후퇴하여 후퇴 위치로 활주시키므로써 피이드 슈의 바닥홀로부터 미립자 재료의 중력 흐름을 차단한다. 이후, 미립자 재료는 성형품으로 프레스되고, 성형품은 다이로부터 배출된다. 이후, 셔틀은 상기 슈를 배출된 성형품을 옮겨 놓는 다이 프레스 테이블을 따라 전방으로 활주시키고, 피이드 슈의 바닥 홀이 다이 캐비티와 겹쳐져 중복됨에 따라 피이드 슈의 바닥 홀을 다시 노출시키므로써, 다시 한번 다이 캐비티에 중력이 충전되도록 한다. 피이드 슈는 다시 한번 후퇴하고, 이로써 미립자 재료의 중력 흐름이 차단된다.
이러한 공지된 간단한 중력 공급 방법은 입자를 미립자 재료의 부피 밀도(입자의 가용적에 대한 밀도)와 거의 상응하는 밀도로 다이 캐비티에 공급한다. 중력으로 인해, 다이 캐비티의 모든 영역이 균일하게 충전되지 않는다. 따라서, 이들 영역은 캐비티내의 미립자 재료에 밀도를 균일하게 하지 않는다. 이러한 공급 방법에 의해 제조된 성형품은 프레싱되는 경우에 밀도가 불균일한 압축 부품을 제조하기 때문에 매우 불만족스럽다. 이후, 이들 불균일한 밀도의 성형품은 특히 다이 캐비티로부터 배출되는 경우에 응력 관련 크래킹이 일어나기 쉽다. 이러한 크래킹은 흔히 소결후에 관찰될 수 있다. 일반적으로, 구리 피복된 알루미늄 분말과 같은 거의 구형인 분말의 경우, 다이내 분말의 양 대 압축부 크기의 충전비는 다이 캐비티에 충전되는 중력을 사용하여 3:1이다. 즉, 다이에서 분말의 삼차원적 크기는 최종 압축된 성형품의 3배이다.
미립자 재료의 다이 캐비티로의 보다 규칙적인 유동을 유발하기 위해 당업에서는 피이드 슈의 요동 또는 진동이 흔히 사용된다. 그러나, 이들 방법은 시간이 많이 소모되며 일반적으로 캐비티내 입자의 균일한 밀도 또는 조절된 제조 공정으로 성형품에서 성형품을 재생할 수 있는 균일한 밀도의 압축 성형품을 얻기에는 적당하지 않다.
또한, 공지된 입자 공급 방법에서 상기 미립자의 요동 또는 진동은 공중 부유하는 입자로부터의 "미분(fines)" 및 먼지를 이동시켜 주변을 덮거나 오염시킨다. 많은 미립자 재료는 흔히 매우 고가이며, 몇몇 경우에는 독성이다. 따라서, 먼지 문제는 상당한 경제적 손실이거나 건강상 위험한 것이라 할 수 있다. 따라서, 최근에는 여과 마스크와 같은 비교적 정교하고 고가의 먼지 회수 시스템 및 개인적 안전 장치가 사용된다.
산존(Sanzone)의 미국 특허 제 4,813,818호에는 공급 튜브를 통해 폐쇄된 충전실에 연결된, 공급원으로부터 분말 재료를 수용하는 호퍼를 구비한 피이드 슈가 기재되어 있다. 충전실은 진공 상태로 구비된다. 진공이 가해져 분말이 공급 튜브를 통해 충전실로 중력 유동하도록 한다. 그러나, 상기 기재된 요동 또는 진동 기법과 유사한 충전실의 배기는 균일한 기계적 및 물리적 특성을 나타내어야 하는 균질한 성형품 및 재료를 제조하는 데 요구되는 다이 캐비티내 미립자 재료의 균일한 밀도를 제공하지 않는다. 이러한 성형품 또는 재료의 예에는 성형물 전반에 걸쳐 또는 성형물 마다 완전히 균일한 특성(즉, 열팽창 계수, 열전도도 등)이 요구되는 열처리에 사용되는 것들이 있다. 또한, 상기 충전실 배기는 다이 캐비티내 미립자 재료의 밀도를 조절하는 데 사용될 수 없으며, 이에 따라 미립자 재료 및 형성된 압축 성형물에 밀도 구배가 발생한다.
또한, 현재 사용되고 있는 것보다 훨씬 빠른 속도로 다이 프레스의 기계 부품을 제어하고 작동시키기 위한 기술들이 있다. 그러나, 다이 프레스가 성형품을 제조할 수 있는 속도는 다이 캐비티가 미립자 재료로 충전될 수 있는 속도에 의해 제한된다. 이 속도는 분말을 다이 캐비티에 공급하는 데 중력을 사용하는 공지된 피이드 슈보다 훨씬 느려 다이 프레스가 압축 부품을 생성하기 위한 최대 용량에 도달할 수 없게 하며, 진동 방법을 사용하는 것보다도 느리다.
또한, 상기 공지된 피이드 슈 및 이외 공지된 피이드 슈에서 피이드 슈를 다이 테이블의 마모판의 상면위로 견인하므로써 피이드 슈를 후퇴시키는 단계가 피이드 슈로부터 미립자 재료의 흐름을 차단하는 데 필요하였다. 그러나, 다이 캐비티를 충전시킨 후의 이러한 피이드 슈의 후퇴는 피이드 슈의 피견인 엣지(trailing edge) 부근의 다이에 분말이 축적되는 결과를 초래한다. 이러한 마찰 유도된 "웨징(wedging)" 효과는 다이 캐비티내 미립자 재료를 압축시키는 경우에 밀도가 비균일한 성형품가 제조되는 문제를 더욱 악화시킴과 동시에 상기 언급된 모든 단점을 동반한다.
발명의 요약
본 발명은 미립자 재료를 초대기압에서 다이 캐비티에 공급하는 피이드 슈를 제공하여 균일하고 미립자 재료의 부피 밀도보다 큰 밀도를 얻으므로써 상기 언급된 문제 및 이외 문제를 해결한다. 예를 들어 본 발명의 가압 피이드 슈를 사용하는 구리 피복된 알루미늄과 같은 전형적인 분말의 충전비는 3:1에서 약 2.3:1로 감소된다. 본 발명의 피이드 슈는 또한 미립자 재료의 공급이 조절되도록 하여 다이 캐비티내 미립자 재료에 밀도 구배가 발생되도록 한다. 이로써 구배된 밀도의 압축된 성형품이 제조될 수 있다.
본 발명은 또한 다이 캐비티의 위에 횡으로 위치한 수평면에서 피이드 슈 바디를 전진 이동시키는 장치를 제공하므로써 압축된 성형물내 마찰 유도된 밀도 불규칙성(웨징) 문제를 해결한다. 피이드 슈 바디가 특정 위치로 이동하게 되므로써 출구는 다이 캐비티 위에 걸린다. 또한, 다이 캐비티와 출원 개구부를 일치시키기위한 피이드 슈 바디를 하향 이동시키기 위한 장치가 구비된다.
본 발명은 또한 피이드 슈 바디가 다이 프레스의 테이블 위에 걸리는 경우에 피이드 슈 내측에 미립자 재료를 함유하기 위한 폐쇄 위치와 출구가 다이 캐비티와 일치하는 경우에 미립자 재료를 다이 캐비티에 공급하기 위한 개방 위치를 가지는 출구와 연결된 밸브를 추가로 포함한다. 이 밸브는 "드립리스(dripless)"이며(즉, 폐쇄 위치에 있는 경우에 미립자 재료가 적가되지 않도록 한다), 이에 따라 입자 유도 재밍(jamming) 또는 클로깅(clogging)에 견디도록 구성된다. 피이드 슈의 출구와 연결된 상기 밸브를 제공하므로써, 피이드 슈는 다이 캐비티 위로 상승되어 미립자 재료내 마찰 유도 웨징을 방지할 수 있게 된다.
본 발명은 또한 미립자 재료로부터 균일한 밀도 또는 구배 밀도 및 상이한 유형과 상이한 고유 밀도의 성형품을 제조하기 위해 미립자 재료를 다이 캐비티에 공급하는 것을 조절하는 방법을 제공한다. 이 방법은 균일한 밀도의 미립자 재료를 제조하기 위해 미립자 재료를 다이 캐비티에 전달하는 사전압축 단계를 포함한다. 다이 캐비티내 미립자 재료는 압축되어 밀도가 균일한 성형물을 형성한다.
본 발명은 또한 미립자 재료를 다이 캐비티에 공급하는 단계, 다이 캐비티내에서 초대기압을 발생시키는 단계 및 미립자 재료를 압축하여 균일한 밀도의 성형품을 형성하는 단계를 포함하여 균일한 밀도의 성형품을 제조하는 방법을 제공한다. 또한, 밀도 구배가 있는 성형품을 제조하는 방법이 제공된다. 이와 같은 방법에서, 분말 공급 단계는 다이 캐비티내의 초대기압을 변경하여 달성된다.
본 발명은 일반적으로 미분 또는 미립자 재료를 압축용 다이 캐비티에 공급하거나 퇴적시키기 위한 피이드 슈에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 미립자 재료의 다이 캐비티로의 공급을 조절하는 피이드 슈에 관한 것이다. 이와 같이 공급이 조절되므로써 다이 캐비티내 미립자 재료에 미립자 재료의 부피 밀도가 될 수 있는 것보다 크게 균일한 밀도 또는 밀도 구배를 제공한다. 또한, 본 발명은 다이 캐비티에 입자를 사전압축시켜 미립자 재료로부터 균일한 밀도 또는 구배 밀도의 성형품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따른 피이드 슈의 측입면도이다.
도 2는 다이 캐비티 위에 횡으로 상승된 수평면으로 피이드 슈를 도시한 도 1의 정면도이다.
도 3은 충전 위치의 피이드 슈를 도시한 도 1의 정면도이다.
도 4는 충전 위치의 도 1의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 일구체예에 따른 피이드 슈 상의 출구 밸브의 측면도이다.
도 6은 개방 및 폐쇄 위치의 밸브를 개략적으로 도시한 상면도이다.
도 7은 피이드 슈 상의 개방 위치의 출구 밸브에 대한 핀치 밸브 구체예의 정면도이다.
도 8은 폐쇄 위치의 도 7의 핀치 밸브이다.
도 9는 피이드 슈 상의 출구 밸브에 대한 기압 밸브 구체예의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 방법을 도시한 순서도의 도표이다.
도 1에 도시된 구체예에서는 바람직한 피이드 슈(10)의 특징이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 피이드 슈(10)는 다이 캐비티(26)로 분말 금속을 공급하여 운반하는 것과 관련되며, 분말 금속은 상부 및 하부 펀치(28 및 29)에 의해 압축된다. 그러나, 본 발명이 금속 분말의 처리로 한정되는 것은 아니지만 예를 들어, 세라믹, 중합체, 카바이드 또는 시멘트(물과 혼합되는 시멘트 재료)를 포함하여 여러 중량 및 유형의 미립자 재료를 처리하는 동일하게 적용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가압 피이드 슈(10)는 일반적으로 피이드 슈 용기(11) 및 공기 진입구(14)를 통해 용기(11)와 연결된 압력 도관(13)을 포함한다. 용기(11)내에서 초대기압을 발생시키기 위한 압력 발생기(미도시됨) 및 분말 재료의 부피 밀도보다 큰 균일한 밀도로 분말 재료를 다이 캐비티(26)에 운반하기 위한 다이 캐비티(26)는 밀봉 결합된 압력 도관(13)에 의해 용기(11)에 연결된다. 다르게는, 압력 발생기는 분말 운반 동안에 발생된 압력을 변화시키므로써 소정의 구배를 따라 다이 캐비티내 분말 재료의 밀도를 변화시키는 데 사용될 수 있다. 피이드 슈(10)는 기압 피스톤(15) 및 작동 실린더(25)와 함께 구성되거나, 캠, 모터, 기어, 수압 피스톤, 스텝핑 모터, 직선 운동 변환기, 서비오 모터(servio motor)와 같은 가압 피이드 슈를 선택적으로 왕복운동시키는 당업에 공지된 적합한 기계적 연동 장치와 함께 구성되며, 이는 이후 작동 설명과 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 다이 캐비티(26)에, 그리고 다이 캐비티(26)로부터 피이드 슈(10)의 운반은 다이 캐비티(26) 상에서 직선 또는 비직선 운동(즉, 스윙운동 또는 앞뒤 선회운동)일 수 있다.
슈 용기(11)는 바람직하게는 초대기압을 견디기에 적합한 금속 또는 금속 합금과 같은 물질로 이루어지며, 평면 상부벽(22)에 달려 있는 한쌍의 측면으로 공간을 두고 있는 측벽(21, 21A)을 가지는 후면벽(20)을 포함한다. 분말 진입구(36)는 평면 상부벽(22)에 배치되고 다량의 분말 재료를 수용하는 선택적인 호퍼(미도시됨)와 연결된다. 분말 진입구(36)는 가압된 후와 가압되는 동안 슈용기(11)내에서 압력을 유지하기 위해 진입 밸브(미도시됨)와 연결된다. 존재하는 경우, 호퍼는 하부 말단에 방출 개구부를 가지며 분말 진입구(36)에 유입되는 충전 도관(미도시됨)을 통해 용기(11)의 내부와 연결된다. 각각의 한쌍의 브릿지 부재(23)가 측벽(21, 21A)의 저부 외측으로부터 연장되며, 그위에 설치된 승강 실린더(30)를 갖는다. 피스톤(31)은 저부 말단의 가이드(32)에 설치되고, 승강 실린더(30)의 내부와 활주가능하게 결합한다. 작동시, 압력은 승강 실린더(30)에 인가되고, 이 압력은 승강 실린더(30)로부터 피스톤(31)을 공간적으로 분리시키므로써 브릿지 부재(23)를 상승시켜 피이드 슈 용기(11)를 들어올린다. 레일(33)은 다이 테이블(34)의 마모판에 고정되고, 가이드(32)는 다이 테이블(34)의 마모판에 고정된 자동 실린더(25) 내측의 개구부(35)를 통해 활주하는 피스톤(15)에 의해 작동되는 레일(33)을 따라 자가 정렬 직선 운동으로 자유롭게 활주한다. 사용시, 피이드 슈(10)에 부착된 피스톤(15)을 전방 이동시키는 작동 실린더(25)에 압력을 인가하므로써, 피이드 슈(10)는 전방으로 이동한다. 작동 실리더(25)는 왕복 운동원에 조작가능하게 결합될 수 있어 가압된 피이드 슈(10)가 분말 금속 생성물의 제조하기 위해 다이 캐비티에, 그리고 다이 캐비티로부터 작동하여 직선으로 옮겨질 수 있다. 이러한 목적을 위해, 개구부(35)가 피스톤(15)을 수용하기 위해 작동 실린더(25)에 구비된다.
용기(11)은 저부 진입구(37)을 갖는다. 밸브(38)은 진입구(37)와 연결되어 있으며, 용기(11) 내측에 분말 재료를 함유하기 위한 폐쇄 위치와 진입구(37)가 다이 캐비티(26)와 일치하는 경우에 다이 캐비티(26)에 분말 재료를 운반하기 위한 개방 위치를 갖는다. 다이 캐비티에 1종 이상의 미립자 재료를 운반하는 것이 필요하거나 바람직한 경우에, 피이드 슈는 하나 이상의 진입구(37)(미도시됨)를 가질 수 있다. 추가로, 미립자 재료를 링, 기어 등과 같은 매우 다양한 부분으로 운반하는 것이 필요한 경우, 피이드 슈는 다수개의 진입구(미도시됨)를 가질 수 있다.
도 2는 도 1의 정면도이며, 다이 캐비티(26)로부터의 상부 상승된 위치 및 오프셋을 도시한 것이다. 이 위치에서, 분말 재료는 다이 캐비티(26)에 유입되는 것이 억제된다. 도 1에서 기술된 바와 같이, 피스톤(31)은 가이드(32)에 대해 설치되고, 승강 실린더(30)의 내부와 활주가능하게 결합한다. 승강 실린더(30)는 브릿지 부재(23)에 부착되고, 피이드 슈 용기(11)의 측벽(21, 21A)과 연결된다. 도 2에서, 압력은 승강 실린더(30)에 인가되어 화살표에 표시된 윗방향으로 승강 실린더(30)로부터 피스톤(31)을 분리시킨다. 승강 실린더(30)의 상향 이동은 이후 브릿지 부재(23)가 동일한 윗방향으로 상승시키는 원인이 되어, 피이드 슈 용기(11)를 또한 상승시킨다. 따라서, 피이드 슈(10)는 다이 캐비티(26)로부터 공간적으로 분리된다.
도 2에 대해서 계속 설명하면, 피이드 슈(10)가 상승 위치에 있게 되면, 피이드 슈(10)는 다이 캐비티(26)로 횡으로 이동한다. 이러한 이동은 압력을 작동 실린더(25)(도 1 참조)에 인가시켜 작동 실린더(25)의 개구부(35)를 통해 피스톤(15)을 이동시키므로써 달성된다. 피스톤(15)의 이동은 가이드(32)가 레일(33)을 따라 활주하게 하므로써, 피이드 슈(10)는 다이 캐비티에 대해 최종 위치 위로 횡으로 이동하게 된다.
다이 캐비티(26)에 분말 재료를 충전시키고자 하는 경우에는 도 2에 관련하여 기술된 이동이 단순히 역전된다. 즉, 반압이 작동 실린더(25)에 인가되어 피스톤(15)이 작동 실린더(25)로부터 후진된다. 반대 방향으로의 피스톤(15)의 이동은 피이드 슈(10)가 다이 캐비티(26) 위에 위치될 때까지 가이드(32)를 레일(33)상에서 후진 활주하도록 한다. 이때, 반압이 저부 승강 실린더(30)에 인가되어 피스톤(31)을 승강 실린더(30)으로 후진시킨다. 이로써 브릿지 부재(23)는 승강 실린더(30)의 이동에 따라 위치가 낮아지게 되고, 이에 따라 피이드 슈 용기(11) 또한 낮아져 피이드 용기(11)를 가압한 후까지 낮아진 위치로 록킹(locking)된다. 피이드 슈 용기(11)의 이동은 진입구(37)가 다이 캐비티(26)와 일치하는 경우에 정지한다. 이때, 피이드 슈(10)는 다이 캐비티(26)에 분말 재료를 이동시키기 위한 위치에 있다. 도 3은 다이 캐비티(26)를 충전시키기 위한 위치에 있는 피이드 슈(10)를 도시한 것이다. 예를 들어, 강력 자석과 같은 록(lock) 또는 록킹 메카니즘이 미립자 재료의 가압 운반 동안에 다이 캐비티에 피이드 슈가 계속 일치되도록 한다.
도 5에서는, 다이 캐비티(26)로의 분말 이송이 보다 상세하게 도시되어 있다. 밸브 바디 하우징(438)은 압력 용기(411)와 다이 캐비티(426) 사이에 끼워져 있으며, 밸브 캐비티(439)를 한정하고, 상부 바디 하우징면(440)과 하부 바디 하우징면(441)을 갖는다. 분말 진입구(442) 및 분말 출구(443)는 수직축을 따라 서로 횡으로 정렬된다. 밸브 슬라이드(444)는 이를 통해 관통된 슬라이드 홀(445)을 가지며 밸브 캐비티(439)내에 안치된다. 작동시, 밸브(437)를 개방시키기 위해 기압(또는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 기체)이 밸브 개구부 단부(446)를 통해 밸브 캐비티(439)에 제공되어 밸브 슬라이드(444)를 직선 이동시켜 슬라이드 홀(445)을 분말 진입구(442) 및 분밀 출구(443)와 함께 정렬시키므로써 용기(411)와 다이 캐비티(426) 사이에 개방 연결부를 형성시킨다. 밸브(437)를 폐쇄하기 위해, 기압이 밸브 폐쇄 단부(447)를 통해 밸브 캐비티(439)에 인가되어 밸브 슬라이드(444)를 소정의 위치로 이동시키므로써 슬라이드 홀(445)이 분말 진입구(442) 및 분말 출구(443)와 함께 정렬되지 않으므로써, 용기(411)와 다이 캐비티(426) 사이의 폐쇄 연결부는 분말 흐름을 차단한다. 저부 바디 밸브 하우징(441)은 분말 진입구(442) 및 분말 출구(443)와 슬리이드 홀(445)을 정렬시키고 정렬해제시키기 위해 기계식 조정장치(446 및 447)를 갖는다.
도 6은 용기(411) 내에서 분말 진입구(442)를 아래로 통과하는, 개방 위치에서 밸브 바디 하우징(438)의 분말 진입구(442) 및 분말 출구(443)와 함께 정렬되는 슬라이드 홀(445)이 도시된 도 5의 상면도이다. 폐쇄 위치에서, 슬라이드 홀(445)은 분말 진입구(442) 및 분말 출구(443)로부터 정렬해제되어 용기(411)와 다이 캐비티(426) 사이에 개방 연결부가 더 이상 존재하지 않는다.
슬라이드(444)와 밸브 바디 하우징(438)을 위해 적합한 치수를 선택하는 데 는, 사용되는 최소 분말의 크기가 고려되어야 한다. 슬라이드(444)와 내부 밸브 하우징(438) 사이의 공간은 바람직하게는 최소 분말 입자보다 작아 분말에 의한 밸브 메카니즘의 재밍을 최소화시켜야 한다.
이외의 방법 및 장치가 피이드 슈 용기로부터 다이 캐비티로의 분말 흐름을 차단하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 분말이 기계적 이동부와 접촉하지 않는 밸브가 사용될 수 있다. 이 구체예에서, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 가요성 공급관(500)이 저부 출구(537)를 통해 연장되고 피이드 슈 용기(511)의 내부를 라이닝하는 블레이더(502)에 연결되어 이어진다. 가요성 공급관(500)은 관의 외측 직경을 조이고 이를 해제하므로써 개방되고 폐쇄된다. 기계식 핀처(pincher)(504, 504A)는 피이드 슈 용기(511)의 저부 바디 하우징(541)의 도관(506, 506A)을 통해 공기를 적용시키므로써 폐쇄된 가요성 공급관(506. 506A)을 조인다. 다르게는, 기계식 핀처(504, 504A)(둥근 "핀칭(pinching)" 단부를 갖는 피스톤으로 도시된 바와 같은)는 도 8에 도시된 바와 같이 조여진 또는 폐쇄된 위치에서 시작하여 도관(506, 506A)을 따라 외측으로 활주하여 압력이 피이드 슈 용기(511)내에서 발생되면 개방시킨다. 적합한 핀치(pinch) 밸브 장치로는 출구 밸브가 사용될 수 있다. 바람직하게는 핀치 밸브는 다이 표면 바로 위에서 "핀치 오프(pinch off)"할 수 있다.
도 9는 저부 출구 밸브(637)의 또 다른 구체예를 도시한 것이다. 상세하게는, 호퍼(650)가 용기(611)내에 안치되고, 다량의 미립자 재료를 수용한다. 공급관(652)은 호퍼(650)의 내부와 출구 진공관(651) 사이를 연결하고, 저부 개구부(655)는 피이드 슈(610)가 충전 위치에 있는 경우에 피이드 슈 용기(611)의 저부 출구 개구부(661) 및 다이 캐비티(626)와 일치한다. 사용에 있어서, 초대기압이 출구 진공관(465)을 통해 전달되어, 미립자 재료를 호퍼(650)로부터 인취하여 공급관(652)을 통해 출구 진공관(654)으로, 그리고 최종적으로 출구 개구부(631)를 통해 다이 캐비티(626)로 이송한다. 초대기압이 차단되는 경우, 미립자 재료의 다이 캐비티(526)로의 흐름은 차단된다. 초대기압은 또한 다이 캐비티내 미립자 재료를 사전 압축시키는 역할을 한다.
도 4는 피이드 슈(310)가 충전 위치에 있는 경우에 액체(미도시됨)와 다이 캐비티(326)내의 내부 사이에 연장되어 있으며 개방적으로 연결되어 있는 제 2 도관(348)을 추가로 포함하는 본 발명의 구체예를 도시한 것이다. 제 2 도관(348)은 액체 용액을 상기 다이 캐비티로 전달한다. 다르게는, 제 2 도관(348)은 액체 용액을 피이드 슈 용기(311)의 내부에 전달할 수 있다. 제 2도관(348)은 예를 들어 영 사용적(zero dead volume) 솔레노이드 밸브와 같은 솔레노이드 밸브로부터 구성될 수 있지만, 드립리스 밸브가 사용될 수 있다. 솔레노이드 밸브 하우징에는 제 2 도관(348)이 넣어진다. 진공이 제 2 도관(348)에 부여되어 다이 캐비티안에서 분산된 후에 다이 캐비티로부터의 액체를 제거할 수 있다. 이러한 제 2 도관은 입자를 압축시키기 전에 다이 캐비티에 액체 성분을 첨가하는 것이 바람직한 상황에서 사용되는 것이 적합한다. 이러한 액체 성분으로는 냉각 용접을 위해 금속 입자를 분무식으로 정화시키는 활성액, 계면활성제, 윤활제 또는 수용액이 포함된다. 액체 성분으로는 상기 재료에 혼입되기에 바람직한 용액이 포함되며, 예를 들어, 시멘트 또는 벽토에 첨가되는 물, 중합체에 첨가되는 경화제, 중합체에 첨가되는 용매 등이 포함된다. 미립자 재료를 분사식으로 정화시키기 위한 활성액을 사용하는 본 발명에 따른 피이드 슈는 소결할 필요 없이 망상 또는 망상 유사 형상의 부품을 제조하는 데 유용하다. 다이 캐비티(또는 다르게는 피이드 슈 용기)로부터 액체 용액을 제거하기 위해 제 2도관에 진공이 부여되는 구체예에서는, 액체 용액 공급원과 피이드 슈의 내부 사이의 어느 한 지점에서 제 2 도관 내측에 위치한 선택성 배리어를 가지는 것이 바람직하다. 진공이 제 2 도관에 적용되는 경우, 선택성 배리어는 미립자 재료가 액체와 함께 제거되는 것을 방지한다.
제 2 도관(348)을 통해서 다이로부터 액체 용액을 제거하는 또 다른 방법으로서, 다이 캐비티나 하부 펀치 또는 이들 둘 모두에 진공을 가할 수 있다. 이를 실시하는 데 있어서, 액체 용액은 제 2 도관을 통해서 다이 캐비티내로 분사되고, 이어서, 다이 캐비티에 가해진 진공에 의해서 다이 캐비티로부터 제거된다. 제 2 도관은 액체 성분들을 피이드 슈 용기의 내부로 교대로 전달할 수 있다. 액체 용액이 냉 용접을 위해서 금속분말을 미세하게 세정하는 데 사용되고, 액체가 다이 캐비티와는 반대로 피이드 슈 용기의 내부에 전달되는 경우에는, 진공 또는 그 밖의 액체 제거 수단은 피이드 슈 용기에 가해져 액체 성분을 제거한 후에 분말이 다이 캐비티에 전달된다. 이러한 구체예에서, 본 발명은 또한 금속분말이 다이 캐비티에 압축될 때까지 미세하게 세정된 금속분말 주위에, 예를 들어, 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스, 질소와 같은 가스, 또는 O2, O3및 SO2와 같은 활성 가스 대기를 제공하는 어떠한 공지된 장치를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 미립자 재료로부터 균일한 밀도를 지니는 제품을 생성시키는 방법을 제공한다. 이러한 본 발명의 방법은 미립자 재료를 다이 캐비티에 전달하는 단계, 다이 캐비티에 초대기압을 발생시켜 재료의 체적밀도 보다 큰 균일한 미립자 재료 밀도를 생성시키거나, 구배 밀도로 미립자 재료를 다이 캐비티에 전달하는데 이용되는 구배압력을 생성시키는 단계, 및 미립자 재료를 압축시켜 균일한 밀도를 지닌 제품을 형성시키는 단계를 포함한다. 액체 성분을 미립자 재료에 첨가하는 것이 바람직하거나 필요한 경우에는 추가의 단계가 이용될 수 있다. 이러한 방법은 제 2 또는 제 3 미립자 재료와 함께 가압된 전달 단계를 반복하는 것을 포함한다.
본 발명의 한가지 구체예가 도 10에 흐름도 형태로 도시되어 있다. 부품 제조 사이클중의 특정된 시간에, 조절기(컴퓨터로 작동될 수 있슴)가 피이드 슈 시스템을 작동시킨다. 조절기를 피이드 슈 시스템에 (1) 다이 캐비티 전체에 피이드 슈를 제거하고, (2) 피이드 슈를 낮추어서 다이 캐비티가 충전 위치와 일치되도록 지시한다. 도 1 내지 도 3의 설명은 상기와 같은 이동이 달성되는 방법을 충분히 상세하게 설명하고 있다. (3) 미립자 재료는 이어서 호퍼로부터 방출되며; (4)분말이 밸브 개구로 유입되고; (5) 미립자 재료가 피이드 슈 용기내로의 피이드 슈의 분말 유입을 통해서 공급되며; (6) 미립자 재료가 출구 밸브를 통해서 다이 캐비티내로 흐른다. (8) 미립자 분말이 방출됨에 따라, 피이드 슈 용기가 특정된 시간 동안 특정된 압력으로 가압되거나 다양한 시간동안 다양한 압력으로 가압된다. 단지 한가지 예로서, 구리 도포된 알루미늄이 미립자 재료인 경우, 피이드 슈 용기는 약 1초 동안 약 25파운드로 가압되어야 한다. 그러나, 본 발명에 이용되는 적합한 압력은 용이하게 최적화될 수 있으며, 약 1 내지 약 25 파운드의 범위 또는 그 이상일 수 있고, 일반적으로는 다이 캐비티의 크기, 다이 캐비티의 기하학적 형태의 복잡성 및 다이 캐비티를 균일하게 충전시키는 데 있어서의 곤란한 정도에 따라 다양하다. 적합한 가압 시간이 또한 용이하게 최적화될 수 있으며, 1초 미만 내지 몇분의 범위 또는 그 이상일 수 있다. 적용될 수 있는 시간은 또한 다이 캐비티의 크기, 다이 캐비티의 기하학적 형태의 복잡성 및 공동을 균일하게 충전시키는 데 있어서의 곤란한 정도를 기준으로 한다.
또 다른 방법으로, 피이드 슈 용기에 전달되는 미립자 재료는 동시 압력 적용 및 출구 밸브 개방과 함께 다이 캐비티에 전달한다. 두 방법 모두, 다이 캐비티이 미립자 재료로 충전된다. 특정의 적용에 있어서, 한 위치 이상의 위치에서 캐비티를 충전시켜 독특하고 복잡한 일부 형태를 충전시키는데 유용할 수 있다.
이러한 방법중의 이어지는 단계에서, 피이드 슈 용기내의 압력이 차단되고 출구 밸브가 폐쇄된 후에, 피이드 슈를 다이 캐비티위로 이동시킨다. 액체 성분을 미립자 재료에 첨가하는 것이 필요하거나 유리한 경우, 액체 성분은 공정중의 이러한 시점에서 다이 캐비티에 첨가될 수 있다. 피이드 슈는 이의 초기 위치로 전환되고, 압력이 가해진다. 동시에, 미립자 재료에 첨가되었던 액체 성분이 제거되는 것이 요구되는 경우에 진공이 가해질 수 있다. 프레스 펀치는 이어서 다이 캐비티내로 하향 조정되고, 다이 캐비티까지 상승시켜, 미립자 재료가 요구되는 부품내로 압축되게 한다. 프레스 펀치는 상기 부품 밖의 다이 캐비티에 존재할 수 있는 어떠한 액체 성분을 대체시켜서, 요구되는 경우 임의의 진공이 다이 캐비티로부터 액체 성분을 제거할 수 있다. 결과적으로, 하부 펀치가 마무리된 부품을 다이 캐비티로부터 방출시킨다.
본 발명에 따른 피이드 슈는 어떠한 공지된 분말 프레스 제조 공정에 이용되도록 조정될 수 있으며, 예를 들어, 절연, 대류 또는 유도에 의한 열, 마이크로파 시스템 또는 오일 또는 열수를 파이프 또는 코일를 통해 펌핑하는 열전달 방법에 의해서 적절하게 온도가 조절될 수 있다.
또 다른 구체예로서, 본 발명은 미립자 재료로부터 부품을 제조하는 분말 프레스에 관한 것이다. 본 발명에 따른 분말 프레스는 미립자 재료를 다이 캐비티에 전달하는 피이드 슈 및 분말 프레스의 다이 테이블을 형성하는 마모판을 포함한다. 피이드 슈는 미립자 재료를 수용하는 용기; 다이 캐비티 및 용기에 초대기압을 발생시키는 압력 발생기; 및 피이드 슈의 개구부가 다이 캐비티와 나란하게 되는 위치로 피이드 슈를 이동시키는 셔틀을 포함한다. 셔틀은 마모판의 상부 표면에 대해서 하부측에 장착된다. 미립자 재료는 피이드 슈를 통해서 다이 캐비티에 전달된다.
본 발명은 본 발명의 사상 또는 필수적인 특징을 벗어나지 않는 그 밖의 특정 형태를 포함할 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 구체예는 본 발명을 단지 예시하고자 하는 것이며, 이로써 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 범위는 상기된 구체예를 포함한 첨부된 청구범위로 설명되는 것이다. 따라서, 청구범위와 동일한 의미 및 범위에 속하는 모든 변화 및 변형은 본 발명에 포함되는 것이다.

Claims (24)

  1. 다이 캐비티를 충전할 미립자 재료를 운반하기 위한 가압 피이드 슈에 있어서,
    미립자 재료를 수용하기 위한 용기를 포함하고, 다이 캐비티와 일치시키기 위한 하나 이상의 저부 출구 및 미립자 재료를 수용하기 위한 상부 진입구를 가지는 피이드 슈 바디(feed shoe body),
    용기와 다이 캐비티내에 초대기압을 발생시키며, 밀봉 결합된 도관에 의해 용기와 연결되는 압력 발생기 및
    저부 출구가 다이 캐비티에 일치하는 위치로, 그리고 이 위치로부터 피이드 슈 바디를 선택적으로 이동시키기 위한 셔틀을 포함하는 가압 피이드 슈.
  2. 제 1 항에 있어서, 다량의 미립자 재료를 수용하며 그 안에 방출구를 가지는 호퍼, 및 진입구를 통과하여 호퍼의 방출구와 용기의 내부 사이에서 연장되는 충전 도관을 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  3. 제 1 항에 있어서, 셔틀이 피이드 슈 바디를 출구가 다이 캐비티 위에 걸려 있는 위치로 다이 캐비티에 대해 상승된 수평면 위로 횡으로 이동시키고, 피이드 슈 바디를 출구가 다이 캐비티와 일치하도록 하향 이동시킴을 특징으로 하는 가압 피이드 슈.
  4. 제 3 항에 있어서, 미립자 재료를 함유하기 위한 폐쇄 위치와, 출구가 다이 캐비티와 일치하는 경우에 미립자 재료를 다이 캐비티에 전달하기 위한 개방 위치를 갖는 하나 이상의 출구와 연관된 밸브를 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  5. 제 4 항에 있어서, 미립자 재료가 다이 캐비티에 충전되는 동안 출구가 다이 캐비티와 일치된 상태를 유지하는 하향 위치에서 피이드 슈 바디를 유지시키기 위한 제륜 장치를 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  6. 제 5항에 있어서, 액체 용액 공급원으로부터 피이드 슈 바디의 내부를 통과하여 연장되며, 피이드 슈 용기에서 액체 용액을 미립자 재료에 운반하기 위한 제 2 도관을 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  7. 제 5 항에 있어서, 액체 용액의 공급원으로부터 연장되며, 피이드 슈 바디와 연관되고, 액체 용액을 다이 캐비티에 운반하는 제 2 도관을 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  8. 제 6 항에 있어서, 액체 용액의 공급원과 피이드 슈 바디의 내부 사이의 한 지점에서 제 2 도관에 위치한 선택성 배리어를 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  9. 제 5 항에 있어서, 셔틀의 바닥에 설치된 마모판을 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  10. 다이 캐비티를 충전할 미립자 재료를 운반하고, 다이 캐비티에 액체 용액을 운반하기 위한 가압 피이드 슈에 있어서,
    미립자 재료를 수용하기 위한 용기를 포함하고, 다이 캐비티와 일치시키기 위한 하나 이상의 저부 출구 및 미립자 재료를 수용하기 위한 상부 진입구를 가지는 피이드 슈 바디,
    용기와 다이 캐비티내에 초대기압을 발생시키며, 밀봉 결합된 도관에 의해 용기와 연결되는 압력 발생기,
    저부 출구가 다이 캐비티에 일치하는 위치로, 그리고 이 위치로부터 피이드 슈 바디를 선택적으로 이동시키기 위한 셔틀 및
    액체 용액의 공급원으로부터 연장되고, 액체 용액을 다이 캐비티에 전달하는 제 2 도관을 포함하는 가압 피이드 슈.
  11. 제 10 항에 있어서, 다량의 미립자 재료를 수용하며 그 안에 방출구를 가지는 호퍼, 및 진입구를 통과하여 호퍼의 방출구와 용기의 내부 사이에서 연장되는 충전 도관을 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  12. 제 10 항에 있어서, 셔틀이 피이드 슈 바디를 출구가 다이 캐비티 위에 걸려 있는 위치로 다이 캐비티에 대해 상승된 수평면 위로 횡으로 이동시키고, 피이드 슈 바디를 출구가 다이 캐비티와 일치하도록 하향 이동시킴을 특징으로 하는 가압 피이드 슈.
  13. 제 12 항에 있어서, 미립자 재료를 함유하기 위한 폐쇄 위치와, 출구가 다이 캐비티와 일치하는 경우에 미립자 재료를 다이 캐비티에 전달하기 위한 개방 위치를 갖는 하나 이상의 출구와 연관된 밸브를 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  14. 제 13 항에 있어서, 미립자 재료가 다이 캐비티에 충전되는 동안 출구가 다이 캐비티와 일치된 상태를 유지하는 하향 위치로 피이드 슈 바디를 유지시키기 위한 제륜 장치를 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  15. 제 10항에 있어서, 액체 용액의 공급원과 피이드 슈 바디의 내부 사이의 한 지점에서 제 2 도관에 위치한 선택성 배리어를 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  16. 제 13 항에 있어서, 셔틀의 바닥에 설치된 마모판을 추가로 포함하는 가압 피이드 슈.
  17. 다이 캐비티에서 미립자 재료를 사전압축시키는 방법에 있어서,
    (1) 미립자 재료를 다이 캐비티에 운반하는 단계,
    (2) 다이 캐비티내 초대기압을 발생시켜 다이 캐비티내에서 미립자 재료의 부피 밀도보다 큰 밀도로 미립자 재료를 사전압축시키는 단계 및
    (3) 미립자 재료를 압축시켜 성형품을 형성시키는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 압축 단계를 수행하기 전에 1종 이상의 추가 미립자 재료를 사용하여 운반 단계 및 가압 단계를 반복시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 초대기압이 압력 발생 단계 동안에 변하여 다이 캐비티내 미립자 재료에 밀도 구배를 발생시킴을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 압축 단계 전에 액체 용액을 미립자 재료에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 압축 단계 전 또는 동안에 액체 성분을 진공처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  22. 압축 성형품을 제조하는 데 사용되는 미립자 재료의 밀도를 조절하는 장치에 있어서,
    (1) 미립자 재료를 다이 캐비티에 운반하고, 미립자 재료를 수용하기 위한 용기를 포함하는 피이드 슈,
    (2) 다이 캐비티와 용기에 초대기압을 발생시키는 압력 발생기 및
    (3) 피이드 슈의 개구부가 다이 캐비티와 정렬되는 위치로 피이드 슈를 이동시키므로써 미립자 재료를 피이드 슈를 통해 다이 캐비티로 전달하는 셔틀을 포함하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 초대기압이 다이 캐비티내의 미립자 재료의 밀도를 조절하는 데 사용됨을 특징으로 하는 장치.
  24. 미립자 재료로부터 부품을 제조하기 위한 분말 프레스에 있어서,
    (1) 미립자 재료를 다이 캐비티에 운반하고, 미립자 재료를 수용하기 위한 용기를 포함하는 피이드 슈,
    (2) 다이 캐비티와 용기에 초대기압을 발생시키는 압력 발생기 및
    (3) 피이드 슈의 개구부가 다이 캐비티와 정렬되는 위치로 피이드 슈를 이동시키므로써 미립자 재료를 피이드 슈를 통해 다이 캐비티로 전달하는 셔틀,
    (4) 분말 프레스의 다이 테이블을 한정하는 마모판 및
    (5) 마모판의 상부면 아래에 설치된 셔틀을 포함하는 분말 프레스.
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